Aquifer overexploitation could significantly impact crop production in the United States because 60% of irrigation relies on groundwater. Groundwater depletion in the irrigated High Plains and California Central Valley accounts for ~50% of groundwater depletion in the United States since 1900. A newly developed High Plains recharge map shows that high recharge in the northern High Plains results in sustainable pumpage, whereas lower recharge in the central and southern High Plains has resulted in focused depletion of 330 km(3) of fossil groundwater, mostly recharged during the past 13,000 y. Depletion is highly localized with about a third of depletion occurring in 4% of the High Plains land area. Extrapolation of the current depletion rate suggests that 35% of the southern High Plains will be unable to support irrigation within the next 30 y. Reducing irrigation withdrawals could extend the lifespan of the aquifer but would not result in sustainable management of this fossil groundwater. The Central Valley is a more dynamic, engineered system, with north/south diversions of surface water since the 1950s contributing to ~7× higher recharge. However, these diversions are regulated because of impacts on endangered species. A newly developed Central Valley Hydrologic Model shows that groundwater depletion since the 1960s, totaling 80 km(3), occurs mostly in the south (Tulare Basin) and primarily during droughts. Increasing water storage through artificial recharge of excess surface water in aquifers by up to 3 km(3) shows promise for coping with droughts and improving sustainability of groundwater resources in the Central Valley.

[1] The augmented Noah land surface model described in the first part of the two-part series was evaluated here over global river basins. Across various climate zones, global-scale tests can reveal a model's weaknesses and strengths that a local-scale testing cannot. In addition, global-scale tests are more challenging than local- and catchment-scale tests. Given constant model parameters (e. g., runoff parameters) across global river basins, global-scale tests are more stringent. We assessed model performance against various satellite and ground-based observations over global river basins through six experiments that mimic a transition from the original Noah LSM to the fully augmented version. The model shows transitional improvements in modeling runoff, soil moisture, snow, and skin temperature, despite considerable increase in computational time by the fully augmented Noah-MP version compared to the original Noah LSM. The dynamic vegetation model favorably captures seasonal and spatial variability of leaf area index and green vegetation fraction. We also conducted 36 ensemble experiments with 36 combinations of optional schemes for runoff, leaf dynamics, stomatal resistance, and the β factor. Runoff schemes play a dominant and different role in controlling soil moisture and its relationship with evapotranspiration compared to ecological processes such as the β factor, vegetation dynamics, and stomatal resistance. The 36-member ensemble mean of runoff performs better than any single member over the world's 50 largest river basins, suggesting a great potential of land-based ensemble simulations for climate prediction.

Significance We increasingly rely on global models to project impacts of humans and climate on water resources. How reliable are these models? While past model intercomparison projects focused on water fluxes, we provide here the first comprehensive comparison of land total water storage trends from seven global models to trends from Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellites, which have been likened to giant weighing scales in the sky. The models underestimate the large decadal (2002–2014) trends in water storage relative to GRACE satellites, both decreasing trends related to human intervention and climate and increasing trends related primarily to climate variations. The poor agreement between models and GRACE underscores the challenges remaining for global models to capture human or climate impacts on global water storage trends.

Abstract Proliferation of evapotranspiration (ET) products warrants comparison of these products. The study objective was to assess uncertainty in ET output from four land surface models (LSMs), Noah, Mosaic, VIC, and SAC in NLDAS-2, two remote sensing-based products, MODIS and AVHRR, and GRACE-inferred ET from a water budget with precipitation from PRISM, monitored runoff, and total water storage change (TWSC) from GRACE satellites. The three cornered hat method, which does not require a priori knowledge of the true ET value, was used to estimate ET uncertainties. In addition, TWSC or total water storage anomaly (TWSA) from GRACE was compared with water budget estimates of TWSC from a flux-based approach or TWSA from a storage-based approach. The analyses were conducted using data from three regions (humid-arid) in the South Central United States as case studies. Uncertainties in ET are lowest in LSM ET (∼5 mm/mo), moderate in MODIS or AVHRR-based ET (10–15 mm/mo), and highest in GRACE-inferred ET (20–30 mm/month). There is a trade-off between spatial resolution and uncertainty, with lower uncertainty in the coarser-resolution LSM ET (∼14 km) relative to higher uncertainty in the finer-resolution (∼1–8 km) RS ET. Root-mean-square (RMS) of uncertainties in water budget estimates of TWSC is about half of RMS of uncertainties in GRACE-derived TWSC for each of the regions. Future ET estimation should consider a hybrid approach that integrates strengths of LSMs and satellite-based products to constrain uncertainties.

Abstract. Global mean sea level is an integral of changes occurring in the climate system in response to unforced climate variability as well as natural and anthropogenic forcing factors. Its temporal evolution allows changes (e.g., acceleration) to be detected in one or more components. Study of the sea-level budget provides constraints on missing or poorly known contributions, such as the unsurveyed deep ocean or the still uncertain land water component. In the context of the World Climate Research Programme Grand Challenge entitled Regional Sea Level and Coastal Impacts, an international effort involving the sea-level community worldwide has been recently initiated with the objective of assessing the various datasets used to estimate components of the sea-level budget during the altimetry era (1993 to present). These datasets are based on the combination of a broad range of space-based and in situ observations, model estimates, and algorithms. Evaluating their quality, quantifying uncertainties and identifying sources of discrepancies between component estimates is extremely useful for various applications in climate research. This effort involves several tens of scientists from about 50 research teams/institutions worldwide (www.wcrp-climate.org/grand-challenges/gc-sea-level, last access: 22 August 2018). The results presented in this paper are a synthesis of the first assessment performed during 2017–2018. We present estimates of the altimetry-based global mean sea level (average rate of 3.1 ± 0.3 mm yr−1 and acceleration of 0.1 mm yr−2 over 1993–present), as well as of the different components of the sea-level budget (http://doi.org/10.17882/54854, last access: 22 August 2018). We further examine closure of the sea-level budget, comparing the observed global mean sea level with the sum of components. Ocean thermal expansion, glaciers, Greenland and Antarctica contribute 42 %, 21 %, 15 % and 8 % to the global mean sea level over the 1993–present period. We also study the sea-level budget over 2005–present, using GRACE-based ocean mass estimates instead of the sum of individual mass components. Our results demonstrate that the global mean sea level can be closed to within 0.3 mm yr−1 (1σ). Substantial uncertainty remains for the land water storage component, as shown when examining individual mass contributions to sea level.

Abstract Recent developments in mascon (mass concentration) solutions for GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) satellite data have significantly increased the spatial localization and amplitude of recovered terrestrial Total Water Storage anomalies (TWSA); however, land hydrology applications have been limited. Here we compare TWSA from April 2002 through March 2015 from (1) newly released GRACE mascons from the Center for Space Research (CSR‐M) with (2) NASA JPL mascons (JPL‐M), and with (3) CSR Tellus gridded spherical harmonics rescaled (sf) (CSRT‐GSH.sf) in 176 river basins, ∼60% of the global land area. Time series in TWSA mascons (CSR‐M and JPL‐M) and spherical harmonics are highly correlated (rank correlation coefficients mostly >0.9). The signal from long‐term trends (up to ±20 mm/yr) is much less than that from seasonal amplitudes (up to 250 mm). Net long‐term trends, summed over all 176 basins, are similar for CSR and JPL mascons (66–69 km 3 /yr) but are lower for spherical harmonics (∼14 km 3 /yr). Long‐term TWSA declines are found mostly in irrigated basins (−41 to −69 km 3 /yr). Seasonal amplitudes agree among GRACE solutions, increasing confidence in GRACE‐based seasonal fluctuations. Rescaling spherical harmonics significantly increases agreement with mascons for seasonal fluctuations, but less for long‐term trends. Mascons provide advantages relative to spherical harmonics, including (1) reduced leakage from land to ocean increasing signal amplitude, and (2) application of geophysical data constraints during processing with little empirical postprocessing requirements, making it easier for nongeodetic users. Results of this product intercomparison should allow hydrologists to better select suitable GRACE solutions for hydrologic applications.

There is increasing interest in using Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellite data to remotely monitor groundwater storage variations; however, comparisons with ground‐based well data are limited but necessary to validate satellite data processing, especially when the study area is close to or below the GRACE footprint. The Central Valley is a heavily irrigated region with large‐scale groundwater depletion during droughts. Here we compare updated estimates of groundwater storage changes in the California Central Valley using GRACE satellites with storage changes from groundwater level data. A new processing approach was applied that optimally uses available GRACE and water balance component data to extract changes in groundwater storage. GRACE satellites show that groundwater depletion totaled ∼31.0 ± 3.0 km 3 for Groupe de Recherche de Geodesie Spatiale (GRGS) satellite data during the drought from October 2006 through March 2010. Groundwater storage changes from GRACE agreed with those from well data for the overlap period (April 2006 through September 2009) (27 km 3 for both). General correspondence between GRACE and groundwater level data validates the methodology and increases confidence in use of GRACE satellites to monitor groundwater storage changes.

Droughts and floods alternately occur over a large karst plateau (Yun–Gui Plateau) in Southwest China. Here we show that both the frequency and severity of droughts and floods over the plateau are intensified during the recent decade from three-decade total water storage anomalies (TWSA) generated by Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellite data and artificial neural network (ANN) models. The developed ANN models performed well in hindcasting TWSA for the plateau and its three sub-regions (i.e., the upper Mekong River, Pearl River, and Wujiang River basins), showing coefficients of determination (R2) of 0.91, 0.83, 0.76, and 0.57, respectively. The intensified climate extremes are indicative of large changes in the hydrological cycle and brought great challenges in water resource management there. The TWSA of the plateau remained fairly stable during the 1980s, and featured an increasing trend at a rate of 5.9 ± 0.5 mm/a in the 1990s interspersed extreme flooding in 1991 and during the second half of the 1990s. Since 2000, the TWSA fluctuated drastically, featuring severe spring droughts from 2003 to 2006, the most extreme spring drought on record in 2010, and severe flooding in 2008. The TWSA of the upper Mekong has decreased by ~ 100 mm (~ 15 km3) compared with that at the end of the 1990s. In addition to hindcasting TWSA, the developed approach could be effective in generating future TWSA and potentially bridge the gap between the current GRACE satellites and the GRACE Follow-On Mission expected to launch in 2017.